（材料加工工程专业论文）焊接工艺参数和熔池视觉同步传感与分析系统研究.pdf

m d d i s s e r t a t i o n t h er e s e a r c ho nw e l d i n g p a r a m e t e r sa n d l m a g es v n c n r o n l z a t l o na c q u l s l t l o na n c i j 1 1 j a n a l y s i ss v s t e m b y h u a n g w e i s u p e r v i s o rb yp r o f , w a n g k e h o n g n a n ji n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y m a r c h ，2 0 1 3 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：氇徘殳劢侈年弓月厢 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：双加侈年弓月易日 硕士论文 焊接工艺参数和熔池视觉同步传感与分析系统研究 摘要 本文设计了套在实际焊接生产过程中对电信号参数和图像进行实时同步采集 的系统，该系统包括硬件和软件两部分，硬件系统是由霍尔传感器、视觉采集仪、数 据采集卡、图像采集卡、参数转换仪以及计算机工作台组成的，软件则是基于 l a b v i e w 图像语言编程，具体分为电流电压波形显示的虚拟示波器、电信号参数网 络传输系统、信号参数的采集和存储、电信号波形和图像采集同步显示、基于信号分 析对焊接质量进行评测等五个部分。系统以计算机工作台为基本工作单元，网络化分 布和连接，可以方便的对采集所得的数据进行获取、存储、传送、分类，可以在系统 当中对不同工作人员的职能进行划分，确定工作的分层同时也加强了安全管理。 实际生产运用中，对m i g 和t i g 等自动化焊接过程当中的电信号进行了采集，证 明该系统拥有良好的稳定性和实用性，采集所得的数据和实际的参数相符合，并且经 过软件和硬件的优化，去除了干扰杂波，更加有利于分析处理，分析结果对焊接质量 的评定也有辅助作用，而且对比不同的焊接波形及分析结果，可以得出焊接系统的稳 定性能。 关键词：l a b v i e w 焊接实时采集参数信号分析同步质量评定 a b s t r a c t t h ea l l 也o rd e v e l o p e das y s t e mf o rr e a l t i m ea c q u i s i t i o no fe l e c t r i c a ls i g n a l s a n d p i c t u r e si nt h ea c t u a lw e l d i n gp r o c e s s t h es y s t e mi n c l u d e sb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e h a r d w a r es y s t e mi n c l u d e sh a l ls e n s o r s ，v i s u a la c q u i s i t i o ni n s t r u m e n t ，d a t aa c q u i s i t i o n c a r d ， i m g ea c q u i s i t i o nc a r d ，p a r a m e t e ra c q u i s i t i o ni n s t r u m e n t ，a n dc o m p u t e rw o r k s t a t l o n s s o 胁a r es v s t e mi sb a s e do nt h el a b v i e w ，i n c l u d i n g f i v ep a r t s ：v i r t u a lo s c i l l o s c o p ew h i c h d i s p l a y sc u r r e n ta n dv o l t a g ew a v e f o r m s as e to fn e t w o r kt r a n s p o r t i n ge l e c t r i c a l s i g n a l d 娥髓e t e r s ，t h ec o l l e c t i o na n ds t o r a g eo f t h es i g n a lp a r a m e t e r s ，t h es y n c h r o n i z e dd i s p l a y w e l d i n ge l e c t r i c a ls i g n a lw a v e f o r ma n di m a g ea c q u i s i t i o n c o m p u t e r sw o r k a sb a s i c 眦t ， i sd i s t r i b u t e da n dc o n n e c t e di nan e t w o r k ，a n dc a r le a s i l yw o r ki n t h ed a t aa c q u i s i t i o n ， s t o r a g e ，t r a m s m i s s i o n ，c l a s s i f i c a t i o n ，w h i c ht a k ep e r s o n n e ld i v i s i o n a n ds t r e n g t h e nt h e s e c u r i t ym a n a g e m e n t i no u re x p e r i m e n t ，s u c ha sm i ga n dt i ga u t o m a t e dw e l d i n gp r o c e s s ，w ec o l l e c tt h e e l e c t r i c a ls i 朗a l ，r e s u l t sp r o v et h es y s t e mh a sg o o ds t a b i l i t ya n d u s a b i l i t y ，t h ed a t a 。b t a i n e d c o i n c i d ew i t ht h ea c t u a lp a r a m e t e r s a f t e rt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo p t i m i z a t i o n ， r e m o v i n gm e i n t e r f e r e n c ec l u t t e r ，w h i c hi sm o r ec o n d u c i v e t oa n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g ，a 1 1 d h a sas u p p o r t i n gr o l ei nt h ea n a l y s i so ft h er e s u l t so ft h ew e l d i n gq u a l i t ya s s e s 8 m e n t c o m p 撕n gt h ew e l d i n gs i g n a lo ft i g a n dm i g ，w ec a ng e tt h es t a b i l i t yo fw e l d i n gs y s t e m k e yw o r d s ：l a b v i e w ，w e l d ，r e a l t i m e a c q u i s i t i o n ，p a r a m e t e r ，s i g n a l a n a l y s i s s y n c h r o n i z e ，q u a l i t ya s s e s s m e n t i i 硕士论文焊接工艺参数和熔池视觉同步传感与分析系统研究 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 1 绪论。l 1 1 选题背景1 1 2 计算机辅助焊接技术发展现状1 1 2 1 焊接过程中电信号监测现状2 1 2 2 焊接过程中声、光信号监测现状2 1 2 3 焊接视觉监测现状2 1 3 虚拟仪器技术在信号采集和分析的应用3 1 3 1 虚拟仪器的硬件部分4 1 3 2 虚拟仪器的软件方面6 1 4 本课题研究的内容9 2 焊接采集与分析系统的总体方案设计。1 1 2 1 总体设计方案1 1 2 2 系统硬件总体设计1 2 2 2 1 参数传感器的选用1 2 2 2 2 数据采集卡的选用1 6 2 2 3 视觉传感器的选用17 2 2 4 图像采集卡的选用1 7 2 3 软件系统总体设计18 3 焊接采集模块的设计。21 3 1 主界面2 1 3 2 ，采集模块2 3 3 2 1 参数采集模块2 3 3 2 2 图像采集模块31 3 2 3 远程发布3 2 3 2 4 参数和图像同步采集3 4 3 3 小波滤波3 7 3 3 1 小波分析的原理和应用3 8 3 5 2l a b v i e w 中小波分析的滤波3 9 3 4 本章小结4 1 t t t 目录 硕士论文 4 焊接分析模块的设计4 3 4 1 电信号分析模块4 3 4 1 】波形重绘模块4 3 4 1 ，2 电流电压的有效值计算，4 5 4 1 3 瞬时能量值分析4 6 4 1 4u i 相图分析4 7 4 1 5 概率分布统计4 9 4 1 6 周期信息分析5 0 4 1 7 时序均方差分析5 1 4 2 图像分析模块5 2 4 - 2 1 图像预处理5 3 4 2 2 熔池图像分析5 5 4 3 同步分析模块5 8 4 4 本章小结6 0 5 焊接采集与分析系统实验研究6 1 5 1 实验方案设计6 1 5 2 双丝焊焊缝质量分析6 1 5 2 1 电信号分析6 2 5 2 2 图像分析6 4 5 2 3 同步分析6 5 5 2 4 结果对比6 6 5 3t i g 的系统稳定性6 7 5 3 1 电信号分析6 8 5 3 2 结果分析7 0 总结。7 1 致谢7 2 参考文献7 3 i v 硕士论文焊接工艺参数和熔池视觉同步传感与分析系统研究 1 绪论 1 1 选题背景 2 0 世纪以来，我国的焊接自动化应用开始普及，目前在汽车生产、大型管道、集 装箱体等产品的制造当中，机器人自动焊机负责了大量的焊接工艺，并且建立了一整 套的焊接生产线，在工业生产中进一步推动了机械化、规模化与自动化【l 】。 焊接自动化的优势在于，完成大批量生产要求的同时能提高焊接质量。自动化焊 接完成质量控制的方法是对焊接工艺参数进行调节，这就需要采用计算机辅助焊接技 术( c o m p u t e ra i d e dw e l d i n g ，c a w ) 。 计算机辅助焊接技术是计算机和焊接结合的一门技术，可以运用到焊接科研、生 产、管理等各个领域，计算机的应用软件涉及到焊接的多个方面，焊接生产规程、焊 接工艺卡片、焊接监测系统、焊接质量控制、焊接数值分析等等 2 1 。 焊接过程的电信号是表征焊接质量的重要工艺参数，通过对电信号的显示、采集 和分析，可以对焊缝的质量进行评测，计算机在焊接过程中作为采集信号的终端，是 焊接过程质量控制的重要环节【3 4 1 。 现代工业的焊接生产逐步向着自动化和规模化发展，在实际的生产过程中，一套 能够集合电信号的采集、存储、发送、接受、管理、分析的系统，对自动化焊接过程 中的质量控制有着非凡的意义。 1 2 计算机辅助焊接技术发展现状 焊接是一门多学科相互交融和结合的科学，实际生产的焊接过程中，涉及了冶金 化学、热处理、材料学等多门学科，因而对焊接质量的控制也要从多方面来考虑，国 内外的研究人员利用计算机的高效率和高速度的运算性能，从不同的方面对焊接过程 进行检测和控制，对自动化焊接的过程质量控制做出了卓越的贡献【5 7 1 。 焊接质量主要指的是焊缝成型外观( 焊缝表面、熔深情况) 、焊接接头力学性能 ( 抗弯、抗压、抗拉性能) 、焊缝组织性能( 金相组织、内部缺陷) ，在实际生产的 过程中，对电弧焊的质量控制尤其重要，从2 0 世纪8 0 年代开始，国内外的专家已经在 电弧焊过程的质量控制上取得了大量成果【8 】，初期的研究方向，是构建完整的焊接电 信号在线监测和质量评测系统，到后期，将电信号和其他的光信号、声信号、图像采 集、红外线检测等技术结合起来，对焊接过程进行多维度、立体化的监测。 目前，工厂的生产中已经开始运用焊接过程质量检测系统，主要集中在图像采集 和电信号采集方面，尤其是汽车生产部门，普遍在生产流水线上装备了焊接质量监测 系统。 l 绪论 硕士论文 1 2 1 焊接过程中电信号监测现状 焊接过程的电信号包括电弧电压和焊接电流，由于电信号的特性，采用的是高精 度的霍尔元件电压或电流传感器，电弧电压和焊接电流仅以焊接回路为介质，与光信 号和声信号不同，受环境影响较小，且便于采集，物理意义明确，通过模数转换器将 原始的模拟信号转换成数字信号，传输到计算机中，然后将计算机中的电流、电压信 号进行处理，得到简单明了的数据图表，通过特定的分析模块进行分析，对比参照的 数据，得出焊接质量的评测一j 。 利用虚拟示波器可以显示瞬时波形图，由于焊接过程的每一细节都能在瞬时波形 图上反映出来，通过评估焊接过程的稳定性，从而可以实现对焊接过程进行在线监测， 而且在波形图中出现的奇异点表示焊接过程中出现了突变，对这些奇异点进行分析， 可以对最终的焊接质量进行评测，收集奇异点的数据，编辑成数据库，可以在后面的 分析中作为参照和标准，从而更快速有效的对焊接质量进行检测。 1 2 2 焊接过程中声、光信号监测现状 焊接过程中产生各种大量信号，可用于分析焊接过程稳定性及进行焊接质量评定 的信号源除了电信号之外就是弧声、弧光这两种l l 引。 弧声信号可以采用全指向性电容式测量传声器以获取，电弧声波来源于焊接过程 中的电弧变化、熔滴过渡、熔池运动等，研究人员从声信号中提取突变的特征值，可 以分析得出焊接过程中的飞溅、短路等情况】。 弧光信号无法使用传统的拍摄器材，采用c c d 视觉传感器来摄取弧光图像，通过 滤光技术可以得到有用的光信号，经过降噪处理还原信号，国内研究人员可以从光信 号中分析出熔滴过渡情况和熔池尺寸大小。 因为焊接过程实在工厂车间中进行的，受到现场的干扰很大，光信号和声信号容 易收到环境影响，因此对声信号和光信号的采集分析还只是停留在初步的实验阶段， 运用到实际生产中更是遥遥无期。 1 2 3 焊接视觉监测现状 焊接过程中的强烈弧光和烟雾，给工作人员的观察造成了影响，因此采用机器视 觉，直接获取焊接图像，对弧光进行减弱，保留有用的信息，采集的图像包含了焊丝 熔化、熔滴过渡、熔池运动等信息，有效地反映焊缝形成的过程，对焊接质量的最终 评定是重要的参考数据【l 引。 焊接过程中的熔滴过渡的图像采集非常困难，原因在于熔滴过渡的过程中，观察 区域小、熔滴过渡的频率高、熔滴的体积小、熔滴过渡时间短且速度快，而且在焊接 进行的过程中，弧光烟尘和飞溅等等都给图像的采集造成困难，因此在研究过程中， 2 硕士论文焊接工艺参数和熔池视觉同步传感与分析系统研究 采用高速摄影技术可以捕捉到焊接图像。 电弧焊接的过程中包括了电弧电压信息、焊接电流信息、电弧弧光信息、电弧声 音信息等多种信息，对焊接质量的控制上有多种方法，但是这些方法各有优缺点，将 其中的两种或两种以上结合起来【l3 1 ，可以多方位的对焊接过程进行监测，提高了准确 性，是对电弧焊接的过程监测的主要方向，目前研究的比较多的就是将电信号和图像 采集结合起来的系统。 1 3 虚拟仪器技术在信号采集和分析的应用 虚拟仪器在计算机设备上的扩展，摆脱了传统的硬件，转而以计算机为硬件平台， 使用软件系统实现真实仪器的测试功能，虚拟的操作面板是可以由用户自定义的人机 界面，其核心本质就是“软件即仪器”，在未来的发展中，必然要和网络技术相结合， 向着网络化的方向发展【l4 | 。 焊接过程中对焊接质量的监测，目前最广泛采用的还是人工的方法，焊接工作人 员凭借多年的工作经验，以焊接过程中的手感来判断焊接的质量好坏，这种方法的缺 点在于，过分依赖个人的能力，无法进行大规模的推广运用，而且人的工作强度有限， 有可能出现错误，因此只有将焊接过程中的信号进行采集量化，变成数据存储下来， 才能准确的对焊接质量进行监测，将焊接过程监测技术发展成完整的工艺，有利于大 规模的推广使用【1 5 l 。 传统的焊接监测方法就是使用单一的测试仪表，比如说电流表和电压表等等，对 电信号进行测试，这些仪表的缺点在于显示瞬时数据，不具有实时记录功能，无法将 焊接信号还原成波形，因此实用意义不大，采用示波器可以显示连续的波形图像，缺 点在于只能显示数据而无法存储，对于需要焊接数据进行后处理分析的工艺帮助不大。 新型示波器具有记忆功能，可以对信号进行采集、显示、测量、存储、分析，这 种示波器实际上是一种基于微处理器的智能仪器，可以和计算机相连接，并将测量的 波形输入计算机，在计算机的屏幕上播放，但采集测试焊接信号时，为了保留焊接信 号的细节，需要高采样率、长时间采样、大存储量、多通道采样和多样性分析方法， 该示波器无法满足上述要求。 焊接过程的信号采集分析对于仪器的要求很高，而且不同的焊接工艺对采集仪器 的要求也各不相同，焊接信号的分析远远不是一两种仪器就能够完成的，因而在研究 焊接过程信号监测的时候，需要一种灵活性、通用性和稳定性兼顾的系统，焊接工作 人员需要一种尽可能简便的系统，摆脱硬件设备的困难，此时虚拟仪器因为其独特的 性能，成为该系统的最佳选择1 1 6 1 7 】。 虚拟仪器本质上是一套面向仪器的数据采集系统，l a b v i e w 作为虚拟仪器技术 的一种，其作用就是作为软件编程环境，构建一套完整的数据采集系统，其功能包括 3 1 绪论硕士论文 了信号的采集存储与处理。 虚拟仪器的正常工作依赖于硬件设备和软件平台，硬件设备包括计算机、总线接 口和输入输出接口【l8 】，软件平台则是采用l a b v i e w 编程系统，硬件和软件紧密结合， 起到虚拟化仪器的作用。 1 3 1 虚拟仪器的硬件部分 信号调理 d a q 卡 g p i b 总线仪器g p i b 接口卡 计 测 v x l p x l l x l 总线仪器模块 算 机 控 软 对 串口总线仪器p l c件 向 系 统 现场总线仪器模块 其他计算机硬件板卡 图1 1 3 1 虚拟仪器的硬件结构 虚拟仪器按照接e l 总线选用方式的不同可以分为以下几种1 9 】： 1 基于数据采集卡的虚拟仪器 图1 3 2 基于数据采集卡的虚拟仪器的典型结构 这种虚拟仪器的采集系统是由电信号传感器、信号调理电路、数据采集卡和微型 计算机组成的，其中以微型计算机为核心，采用的是插入式数据采集卡，而非集成在 计算机内部，即插即用，可以对大部分计算机的总线插槽接口形式兼容，因而具有广 泛的通用性，这种系统的功能在于将现场的数据实时传输到计算机中，然后交由计算 机上的工作软件对信号进行处理，而且可以将计算机上的数据反馈到工作系统之中【2 0 1 ， 4 硕士论文 焊接工艺参数和熔池视觉同步传感与分析系统研究 其基本工作结构如图1 3 2 所示。 这种系统的特点就是微型计算机的数目巨大，并且硬件配置统一，便于大规模的 使用，而插卡式的数据采集卡使用方便、成本低廉，有利于实际生产中控制成本，因 为其独特的优越性，基于数据采集卡的系统必将在工业生产中发挥巨大作用。 目前各厂家先后生产出多种性能优越、功能多样、价格低廉的数据采集卡，对这 项虚拟仪器技术的发展起到了推动作用，而计算机上的工作软件也同样是研究的一个 重点，国内多所重点大学专门对虚拟仪器的软件系统进行研究，在各行各业取得了成 果。 2 基于g p i b 总线方式的虚拟仪器 g p i b 是通用接口总线的英文g e n e r a l p u r p o s ei n t e r f a c eb u s 的缩写，是由h p 公司在 1 9 7 8 年制定的总线标准，是数字接口的又一项有力发展。 g p i b 标准总线 上上上 接口接口 接口 计算机程控仪器其他仪器 1 li 被测对象 图1 3g p i b i 贝u 试系统框图 g p i b 仪器总线作为仪器和计算机的联系，其优点在于广泛的通用性能，各大厂 家生产的仪器设备，只要符合g p i b 的标准，都可以和计算机相连接，但缺点在于， g p i b 仪器总线局限于8 位并行仪器，传输速率低( 1m b y t e s ) 和传输距离小( 2 0 m ) ， 不适用于大规模测试系统，但是因为通用性优点，广泛的使用在中等规模的自动化测 试系统之中。 3 基于v x i 总线方式的虚拟仪器 v x i 总线是一项开放的仪器接口标准，其目的是为了仪器之间、仪器和不同标准 的计算机之间能够开放的传递数据，优点在于系统体积小、组成结构紧密、数据传输 量大、定时同步精确，而且因为开放的接口标准，使得该系统对绝大部分厂家的设备 兼容，可以和现有的各种总线标准的器系统混合集成，是对传统的总线标准的补充而 非代替，使用在大规模的测试系统中具有无可比拟的优势，因为高精度和准确度而被 广泛使用，但是因为其昂贵的成本，不适用小规模的自动化测试系统。 4 基于p x i 总线方式的虚拟仪器系统 p x i 是n i 公司在1 9 9 7 年推出的全新仪器总线规范，是面向仪器扩展的p c i 总线， 1 绪论硕士论文 发挥了p c i 的全部优点，其目的是为了将台式机的性价比和p c i 总线完美结合起来，适 于组建中小规模的测试系统。p x i 总线方式的特点就是高性能、低成本，是研究采用 方案的优良选择。 5 基于l x i 总线方式的虚拟仪器 l x i 是v x i 科技公司和安捷伦公司共同推出的一款接口标准，这是一种基于局域 网技术，将中小规模的模块整合起来，具有g p i b 和v x i 的优点，如数据吞吐量高、模 块化结构好、开放型强、即插即用，因为其优越的性能，l x i 将是未来总线技术发展 的趋势。 一般的学校研究室内通常使用的还是基于数据采集卡的虚拟仪器，这种系统的优 势在于，微型计算机普及到个人，可以不受地点的限制，随时随地使用，网络平台的 普及更是方便了信息的交流，数据采集卡即插即用，方便快捷，整个系统的移植性很 强，可以在实验室和工厂里自由的使用，而且成本较低。 1 。3 。2 虚拟仪器的软件方面 虚拟仪器用于数据采集方面，最常使用的软件系统就是l a b v i e w ，l a b v i e w 由 美国国家仪器( n i ) 公司研制开发，一般的计算机语言，如c 语言和b 语言，都是采 用文本语言产生代码编辑程序，程序是一行行的文本语言，而l a b v l e w 使用的是图 形化语言编辑程序【2 1 1 ，产生的程序是模块化的框图形式，代表不同代码的v i ( v i r t u a l i n s t r u m e n t ) 为基本单位，以端口和接线相互连接，程序的开发简单易学，容易上手。 2 0 世纪7 0 年代，国防科技、航天航空等领域蓬勃发展，对计算机测控的要求随之 而提高，虚拟仪器技术因此而产生，对仪器的模块化虚拟化成为发展方向。个人计算 机的出现，对测控仪器的虚拟化影响深远，n i 公司先后在微软公司的w i n d o w s 系统， 苹果公司的m a c i n t o s h 计算机上推出了l a b v i e w 的版本，该软件在不同的操作系统上 也具有通用性【2 2 i 。 n i 公司在虚拟仪器技术方面是业界公认的权威，最主要的产品就是l a b v i e w ， 该公司保持着对软件的长期研究、维护、改进和升级，发展到目前，l a b v i e w 的最 新版本为l a b v i e w 2 0 1 2 ，对比以前的旧版本，对v i 的版本进行了更新，使得软件的 环境更加友好生态，在虚拟仪器的开发中更加方便【2 3 】。 用户借助于l a b v l e w 提供的软件环境，利用其独特的编程环境，可以将程序框 图和用户界面并行编辑【2 4 1 ，其数据流的流程也是优势，高度封装的v i 避免了编程过 程中的低级错误。 l a b v i e w 在焊接工艺当中的应用有以下几点。 1 焊接电弧一电源系统的参数分析 硬件设备是由电信号传感器、信号调理电路、数据采集卡以及个人计算机组成， 6 硕士论文 焊接工艺参数和熔池视觉同步传感与分析系统研究 软件平台则采用l a b v l e w ，该系统可以对信号进行实时采集，对采集的信号参数进 行各项分析，可以对电弧一电源系统的特性进行评定，基本的工作流程流程如图1 4 1 ，r 一 所不o l 被测电弧一 - q 篱慧器卜 信号调数据 、i ；+ 笛加l i 电源系统 理电路 采集卡 7 i 。1 图1 4 1 焊接电弧一电源系统的基本流程 焊接过程中的电弧电压和焊接电流是由焊接电源提供的，电弧则是导电极和工件 连接回路，通过对电信号的采集，可以得出电源的外特性和静特性，将电流电压的参 数一一对应，还原至w j u i 相图之中，可以得出焊接过程中熔滴过渡的变化规律，将瞬时 信号还原成的具体波形，记载了电流电压的变化特征，运用具体的分析工具对整体波 形进行分析处理，可以求出曲线的突变点、特征值还有周期变化等重要的参数，对于 电弧一电源系统的稳定性和工作性能具有重大的参考价值，因此运用l a b v i e w 对焊 接电弧一电源系统进行分析也是焊接分析的一项重要内容，正逐步使用在研究工作当 中【2 5 1 。 杨玲【2 6 】等使用l a b v l e w ，建立对熔滴短路过渡c 0 2 气体保护焊的电弧电压、电流 采集与分析处理系统，该系统使用统计分析的方法，绘制出电流分布概率图和电压概 率分布图，可以分析出燃弧到短路时间内的电流电压的变化趋势。 2 对焊接的精密控制 焊接接头的最终质量，除了合适的工艺参数【27 | 、充分的焊接预处理和整洁的工作 环境，很大程度上依赖于电焊机的工作性能，具体的工作中，可以使用电焊机的参数 调节按钮，对电流电压的值进行调节，但是这样做完全依靠工作人员的主观感受，而 且无法达到精密控制的目的。 因此我们可以使用计算机对焊接进行精密的控制，完成各项参数的计算和调配， 设定各项参数的定值，调节电源的各项特性，具体的工作都是由软件来完成的。 在现有的计算机硬件水平条件下，能够提高焊接控制质量和水平的就只有软件系 统了，软件系统的不断升级和更新对具体的平台提出了要求，l a b v i e w 具有开发周 期短、稳定性高、扩展性强、开发时间少以及优越的集成功能等优点，使用l a b v i e w 为软件平台编写程序，实现对焊机的精密控制是焊接数字化研究的一个重要方向l 猫j 。 以焊接电流的控制为例，计算机设置定值，通过放大、隔离电路输入到焊接电路 上，由计算机控制焊接的开始和停止按钮，控制焊机的启动和急停，并且加入反馈电 路，将采集到了信号和定值结合，起到稳定电流的作用，其基本原理如图1 4 2 所示。 1 绪论 硕士论文 图1 4 2 焊机控制原理图 l a b v i e w 的作用在于编写程序，在计算机上完成虚拟仪器的功能，通过d a q 数 据采集卡采集的数据由l a b v i e w 程序进行接收和发送【2 9 1 ，并且将设定的电流电压定 值输送到电路当中，虚拟示波器的功能可以直观的体现焊接数据，充分体现了 l a b v i e w 的优势，保证了数据采集的精确度，大大的改善了焊接的质量【2 引。 3 焊接网络化的分布 在目前的工业仪器系统中，计算机化和仪器的结合相当紧密，许多传统仪器正在 逐渐被计算机部分、甚至全部取代，计算机在虚拟仪器的使用中的地位也逐渐升高， 计算机网络的飞速发展，给予了虚拟仪器技术新的发展方向，即虚拟仪器的网络化和 智能化3 1 j 。 工业生产向着大型化和规模化的方向发展，虚拟仪器的系统也要随之而进步，这 当中需要克服的就是远程数据采集和传输的难题，解决的方法就是从硬件方面，采用 分布式监控的设备，同时对多个焊接过程进行监控，实现同步采集，可以节省劳动资 源【3 2 1 。 软件方面，可以使用l a b v i e w 实现网络通信，一、使用i n t e m e t 传输控制协议编 程进行网络通信。二、使用l a b v i e w 自带i 拘d a t a s o c k e t 技术进行网络通信【3 3 1 。三使用 浏览器发布的功能，可以实现异地实时采集的功能。四、远程桌面技术。使用网络通 信的意义在于实现无线远程操作，脱离了距离的限制，但是对处理器和数据通道的要 求较高。 虚拟仪器软件常用开放的工具分为两种，第一种是使用文本语言编程的c + + 、v b 、 l a b w i n d o w s 等，第二种是图形化语言编程的l a b v i e w ，a g i l e n tv e e 等。l a b v i e w 最 为第二种工具的代表，因为简单易学、使用灵活等优点，广泛用于常规的数据采集、 测试、测量等任务，在减少系统开发时间的同时还提高了工作效率，目前成为应用最 广、发展最快、功能最强的图形化编程软件。 焊接过程采集系统的软件开放，需要对数据采集、远程发布、后期分析等不同的 模块进行编程，采用l a b v i e w 为主要编程方法，同时使用c 十+ 、m a t l a b 等软件作 硕士论文焊接工艺参数和熔池视觉同步传感与分析系统研究 为辅助【3 4 , 3 5 ，可以建立起一套功能完善、操作简便、工作稳定的系统，对焊接自动化 的技术发展具有推动作用。 何俊杰等采集保护药芯焊丝焊接过程电信号，使用m a t l a b 分离信号的时域性 质和时频特征，提取了焊接过程当中的隐藏信息，最终根据焊接信号的突变点，对焊 接质量的缺陷进行预测1 3 6 1 。 1 4 本课题研究的内容 本课题的目的在于构建一套完整的焊接过程参数采集系统，其功能包括了数据的 采集、传输和分析，多通道采集的同步实现，网络化的焊接监测系统分布，焊接电信 号和图像采集的同步显示，以及焊接的质量评定【37 | 。其主要内容如下： 1 以微型计算机为核心，霍尔传感器、视觉采集仪、数据采集卡、图像采集卡 搭建硬件平台，实现多通道焊接过程的同步采集，使得各个通道互不干扰，数据精确 不失真，达到数据显示和现实当中的焊接过程尽量同步。 2 以现实的生产车间为模型，搭建完整的分布式监测系统，可以对多台焊机的 焊接过程同时监控，对硬件设备进行精简，在完成更多的任务的同时减小设备体积， 使之好用便携，利用i n t e r n e t l 网路技术传输数据到服务器中【3 引，并且给数据打上标签， 起到科学保存数据的作用。 3 正对焊接过程中弧焊过程，开发出焊接电信号波形的测量和显示技术，利用 虚拟示波器的功能，将显示采集的模拟信号通过模数和数模的转换，最终在计算机显 示屏上显示出来，并且和图像采集结合起来，使得电流电压波形和焊接熔池图像同步 显示，起到互补的作用。对电流波形的显示既要采取瞬时波形的方法，也要有测量功 能，对电流波形进行计算，得出最大值、最小值、平均值和有效值等数据，给人以直 观的认识，最终存储的数据要整齐有序的存放，并且通过标签辨识焊缝，便于历史数 据查询和分析。 4 。开发各种分析手段，提取焊接数据的信息，对最终的焊接质量进行评定。使 用统计分析的方法，从电信号中得出电流分布概率图、电压分布概率图等，可以从中 得出燃弧到息弧的过程中一系列的变化。综合电流和电压的信号，可以得出焊接过程 中的线能量，线能量是表征焊接焊缝传递热量的参数，对焊接的质量有重要意义，电 压和电流的瞬时值对应可以得出u i 相图。对各个周期的特征值如波峰波谷值等进行统 计分析还可以对系统的稳定性进行分析。 5 对焊接信号进行滤波【3 9 1 ，焊接过程中，各种因素会对电信号产生影响，使得 最终到达计算机中的电信号和实际当中的不符，除了采集电路中的硬件滤波之外，在 计算机软件中可以使用小波分析对信号进行滤波，除了去除杂波之外，还可以最大限 度的保留细节。 9 1 绪论硕士论文 6 进行实验，对硬件功能进行测验，同时测试软件的实用性和稳定性，对焊接 质量进行初步的测定，同时完善系统。 1 0 焊接i 艺参数和熔m 觉目步传感h 折系统赴 2 焊接采集与分析系统的总体方案设计 2 1 总体设计方案 该系统的目的在于使用，不仅可以在实验室中对焊接过程进行监测和分析。而且 要求能在实际生产中起到重要作用，因此整个系统要求便于使用，在实际使用中硬 件必须要尽可能的简便易携，软件也要好用易瞳，这样方便了设备的安装使用，研究 人员无需培训，可以直接上手。 口7 与兮 僻- 9 1 1 _ ll 烨机ii2岸机211 岸机2l2 焊机3 - 1 一】焊机3 - 1 2 幽21 1 分布式监测系统幽 在实际的工厂中往往是多台焊机同时使用，而且多个焊接车间也是分布在不同 的地方，对焊接电信号的采集和传输的同时进行就需要做出布置了，采取的分布式监 测系统图如211 所示。 um自qj， 章 一 厂睁哆 一厂眵。哆一厂哆 2 焊接采集与分析系统的总体方案设计硕士论文 工厂中设有多个焊接车间，焊接车间中多台焊机同时工作，对焊接过程进行监测 则是通过数据采集卡，连接多台焊机收集电信号，一套采集卡可以同时采集八台焊机 的电信号，将所得信号传输到微型计算机中，一个焊接车间可以有一台微型计算机作 为工作端，通过网络连接到服务器的数据库，将数据经网络线路传送到服务器当中， 服务器作为终端，有着强大的运算功能和计算速率，可以对庞大的数据进行处理，负 责对焊接质量的最终分析。 2 2 系统硬件总体设计 硬件系统是以计算机为核心，使用霍尔电流电压传感器采集电流电压信号，同时 使用c c d 摄像头对熔池图像进行采集，然后使用数据采集卡和图像采集卡将采集的数 据和图像传送到计算机中，使用l a b v i e w 便携的程序对数据进行处理，最后进行分 析，其主要流程图如下副4 0 1 。 图2 2 1 信号i 司步米集流程图 2 2 1 参数传感器的选用 在采集系统的硬件系统中，使用霍尔传感器从焊接系统采集电流电压信号，霍尔 传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，利用的是半导体材料的霍尔效应，可 以测量任意波形的电流和电压，具有精度高、线性度好、动态性能好、过载能力强、 灵敏度强、可靠性高、抗干扰能力强等优点，广泛地应用于信号采集、自动检测、数 据处理等各方面。 对焊接过程的监控，对信号的准确性要求较高，霍尔传感器的抗干扰能力强，可 1 2 硕士论文焊接工艺参数和熔池视觉同步传感与分析系统研究 以保证远程传输过程中不受外界干扰，高精确度和强灵敏度也使得采集到了电流电压 信号误差小，采集到的信号和实际信号的契合度越大，分析过程中提取的信息就越准 确，因而霍尔传感器的性能参数也是对其选用的重要参照标准，霍尔传感器的原理图 如下。 周边电流 麓量输出 图2 2 2 霍尔原理传感器原理图 基本工作原理是霍尔磁补偿原理，原边电流流过导体产生磁场，由霍尔元件输出 信号控制补偿电流通过次级线圈产生的磁场补偿，当原边磁场和副边磁场达到平衡， 其补偿电流可以精确的反应原边电压值1 4 。 霍尔电压传感器和霍尔电流传感器的区别在于获取的物理量不同，霍尔电压传感 器获取的是电压信号，霍尔电流传感器获取的是电流信号，这两种霍尔传感器的原理 是相同的，都是基于闭环原理的线性霍尔传感器。 在焊接过程参数的采集中，霍尔电压传感器的作用在于采集焊接过程的焊接电压， 霍尔电流传感器的作用在于采集焊接电流，这两者都有着将焊接的强电压强电流转换 成弱电压弱电流的作用，利用的是传感器内部的初级和次级线圈的匝数比，输出的弱 电压弱电流是为了保护电路和数据采集卡。 本文设计的焊接过程电信号采集系统，针对的是气体保护焊，气体保护焊的特点 在于，其电流参数一般在5 0 0 a 以下，工作电压参数一般在2 0 v 到3 0 v 之间，空载电压 在6 0 v 到7 0 v 之间，根据此条件选用霍尔传感器，霍尔电流传感器的上限值为5 0 0 a ， 霍尔电压传感器的上限值为1 0 0 v 。 本系统选用的是北京森社电子生产的霍尔传感器，分别是闭环霍尔电压传感器 c h v 5 0 p 和闭环霍尔电流传感器c h b 5 0 0 s ，用于隔离测量电流电压，具有体积小、 堡! 鲨! ! 堑墨! 些! ! ! ! ! 坠墼 重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰能力强的优点，其性能如表22i 所示。 查! ! ! 至竺! 塑里堡竺壁墅堡! ! ! ! 堑 根据表格中的参数作为参考，霍尔电流传感器c h b 一5 0 0 s 的电流测量范围为o 1 0 0 0 a ，符合气体保护焊上限电流值5 0 0 a f t o 规定，其输入电流5 0 0 a ，输出电流】0 0 0 r n a 电源电压下限1 2 v ，上限- l 2 4 v 。霍尔电压传感器c h v 5 0 p 的电流测量范围0 2 9 m a ， 换算成电压为0 1 0 0 v ，符合气体保护焊上限电压值的规定，其输入电流1 0 m a ，输 出电流5 0 m a ，电源电压下限t 1 2 v ，上限1 5 v 。其他各项性能参数均符合本系统的要 求，其图片如下所示。 图223 霍尔电流传感器c h b 5 0 0 s幽224 霍尔电压传感器c h v - 5 0 p 在实际使用的过程中，根据霍尔传感器原理和内部结构的不同，其连接电路的方 式也不相同t 霍尔电流传感器和霍尔电压传感器的连接电路图如图225 和图226 所示 硕士论文 焊接工艺参数和熔池视觉同步传感与分析系统研究 i 。被测电流 0v + v “ ，一 i 坦而+ h t - 4 - - 一+ i nl 一广一o + 一o 一 一一h tm l # 竺h0 、 广 一 ml ；轴v ii 一麓出电流 j 一 h - “ 一v n 图2 2 5 霍尔电流传